CC BY
78
Рис. 3. Натурная модель RS-триггера на плате NI ELVIS (общий вид и увеличенная схема)
При подготовке представленных работ в основу были положены методы автоматизированного физического экс-
перимента, в том числе интеграция физического эксперимента и математического моделирования. Базой проведения лабораторных работ является настольная рабочая станция NI ELVIS, представляющая собой настольную макетную плату и комплект программного обеспечения.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
1. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Т. 1. Моделирование элементов аналоговых систем. 6-е изд. М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2006. 672 с.
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т. 1. Изд. 3-е. М.: МИР, 1986. 598 с.
ФИЛОСОФСКИЙ СМЫСЛ КОНЦЕПЦИИ САМООРГАНИЗАЦИИ В АСТРОФИЗИКЕ
PHILOSOPHICAL SENSE OF THE CONCEPTION OF SELF-ORGANIZATION IN ASTROPHYSICS
О. А. Щетинина
Астросинергетика является современной парадигмой рождения и эволюции Вселенной. Астросинергетика объясняет эволюцию Вселенной в аспекте ее самоорганизации. Исследуется связь принципов единства мира и развития мира.
Ключевые слова: астросинергетика, самоорганизация, эволюция Вселенной, философия.
Вопросы возникновения и развития Вселенной всегда имели и имеют до сих пор приоритетное значение в астрофизике. Современная наука рассматривает эволюцию Вселенной с точки зрения процессов самоорганизации. Эти тенденции способствуют развитию астросинергетической концепции. Последняя представляет собой современную парадигму рождения и эволюции Вселенной, уходящую своими корнями в натурфилософские рассуждения Античности, прошедшую через «мрак» Средневековья, возродившуюся в эпоху Нового времени и сформировавшуюся в современном виде в XX в.
Действительно, многое из того, что мы находим в дошедших до нас источниках античной мысли, подчас удивительно коррелирует с современными космогоническими концепциями, хотя и весьма в приближенном варианте, требующем поправки на время. Так, Гераклит Эфесский полагал, что исходной точкой зарождения всего сущего послужил «вечно живой огонь». Будучи сторонником периодического космообразования, Гераклит утверждал: «Этот космос, тот же самый для всех, не создал никто ни из богов,
O. A. Shchetinina
Astrosynergetics is an up-to-date paradigm of the birth and the evolution of the Universe. Astrosynergetics explains the evolution of the Universe through its self-organization. Connection of the principles of world's unity and world's development is researched.
Keywords: astrosynergetics, self-organization, Universe evolution, philosophy.
ни из людей, но он всегда был, есть и будет вечно живым огнем, мерами разгорающимся и мерами погасающим» [1, с. 275]. Многообразие и изменчивость всего сущего, по Гераклиту, были обусловлены борьбой и сменой противоположностей, которые не исключали друг друга, а вели к некоему высшему совершенству - гармонии мира. Это положение можно считать сегодня одним из истоков астроси-нергетики. Учение Пифагора строится на представлении о числе как основе Вселенной. Первоосновой считалась огненная Единица, из которой впоследствии развился космос. Начиная с Пифагора Вселенная рассматривается как гармония чисел и их соотношений, что также находит свое отражение в современной науке, особенно при выявлении астросинергетической направленности в области точек бифуркации и выборе аттрактора, а также при осмыслении космологических совпадений, получивших название «Загадка больших чисел». Анаксагор развивал эволюционную космогонию, согласно которой «космос рождается однажды из некоего первичного состояния, а затем необратимо развивается в одном направлении» [2, с. 58]. Ныне эта идея
широко развивается современной астросинергетической космологией. Дальнейшее развитие античных представлений о мироустройстве было выражено в космогонической концепции атомистов - Левкиппа и Демокрита, согласно которым «в мире существует лишь два начала - пустота и атомы» [2, с. 62]. Эпикур был сторонником множественности миров. Платон первым высказал идею возникновения времени одновременно с космосом, указывая на отсутствие всякого смысла в постановке вопроса о том, что было до его возникновения. Аристотель считал, что «...небо в своей целокупности не возникло и не может уничтожиться. оно. одно и вечно и что его полный жизненный век. не имеет ни начала, ни конца, но содержит и объем-лет в себе бесконечное время.» [3, с. 306]. Древнегреческий астроном и математик Аристарх Самосский впервые выдвинул гипотезу гелиоцентрического устройства мира. Его работы «можно поистине назвать началом современной астрономии» [4, с. 131]. Кульминацией развития античных астрономических знаний и в то же время ее последним достижением необходимо считать космологическую теорию Клавдия Птолемея, изложенную в его фундаментальном труде, дошедшем до нас под названием «Альмагест», и ознаменовавшую собой целую эпоху средневековой астрономии. Эпоха Возрождения была связана с великими астрономическими достижениями Николая Коперника, Тихо Браге, Джордано Бруно, Галилео Галилея, Иоганна Кеплера. В 1755 г. появилось уникальное и не имевшее ранее аналогов произведение Иммануила Канта «Всеобщая естественная история и теория неба». Кант явился одним из создателей «небулярной» космогонической гипотезы, в которой возникновение и эволюция планетной системы выводится из первоначального диффузного облака частиц. Основным же двигателем формирования Вселенной в теории Канта являются всеобщие механические законы движения.
В современной астросинергетической концепции космос представляет собой сложную неравновесную систему, эволюционирующую от «рождения» до современного состояния под действием процессов самоорганизации. Самоорганизация имеет прямое отношение к процессам нарушения симметрии, что в свою очередь приводит к формированию многообразных природных структур из высокосимметричной первоматерии.
Современное состояние Вселенной является отправной точкой построения теорий, представляющих собой реконструированные модели рождения и развития Вселенной, исходящие из наблюдаемых на сегодняшний день астрофизических параметров. Наиболее признанной из них является теория Большого взрыва. Но и она не дает полного понимания явлений, происходивших около 15 млрд лет назад, в эпоху рождения и бурного развития Вселенной.
Отсчет первых мгновений жизни Вселенной после момента, условно получившего название Большого взрыва, идет с так называемого «планковского времени», когда, по словам С. Хокинга, «действуют неизвестные и странные законы физики» [5, с. 86]. Об этой эпохе, по существу, мало что известно. По-видимому, на данном этапе эволю-
ции Вселенной «.ни пространство, ни время не имели ни сколько-нибудь определенного смысла, ни размерности. Вселенная находилась в состоянии с высокой симметрией» [6, с. 24]. Всю эволюционную теорию развития Вселенной на ранних стадиях можно рассматривать как череду сменяющих друг друга этапов стабильности и дестабилизации, симметрии и ее нарушений.
Согласно одной из космологических моделей, в так называемое планковское время (время «великой сингулярности»), относящееся приблизительно к периоду с момента «начала» Большого взрыва до 10 - 43 с, все вещество нашего мира было сжато и сконцентрировано в неимоверно малом объеме, а известные нам на сегодняшний день гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, по сути, не существовали, а были скрыты в неком едином взаимодействии (супервзаимодействии или суперсиле). В конце эпохи Планка произошло отделение гравитационного взаимодействия. Таким образом, Единая сила распалась на гравитационную силу и «силу» «Великого объединения».
В период времени с конца сингулярности до 10 - 35 с вся Вселенная была заполнена однородной газообразной смесью «праматерии», обладающей очень высокой температурой, порядка 1 032 К. В начале этой эпохи эволюция Вселенной характеризуется стадией инфляционного расширения, в ходе которой ее размеры увеличились в 1050 раз, а температура упала до 1 028 К, что привело к нарушению симметрии и разделению сильного и электрослабого взаимодействий.
Спустя приблизительно 10 - 32 с от «начала» Большого взрыва произошло нарушение баланса между кварками и антикварками. Вселенная повела себя как адиабатически расширяющийся газ, вследствие чего температура упала до 1016 К. Падение средней энергии частиц привело к нарушению электрослабой симметрии, а именно к разделению электромагнитного и слабого взаимодействий.
Необходимо отметить, что именно взаимодействие во всем многообразии своих проявлений является непосредственным ключом в изменении, развитии и движении материи. О чем и свидетельствует структурное усложнение космических систем в первые доли секунды после Большого взрыва. Подобный подход конкретизирует философское понимание взаимодействия посредством интерпретации эволюционного становления фундаментальных физических взаимодействий.
По прошествии приблизительно 10 - 11 с адиабатическое расширение усилилось, так что температура продолжила падать и достигла значения 1013 К. Тем самым резко возросла вероятность попарной аннигиляции кварка и антикварка, после которой остались преимущественно только кварки, а антикварки исчезли. Симметрия между материей и антиматерией нарушилась в пользу материи.
Объединение кварков и образование нуклонов пришлось на 10 - 6 с после начала Большого взрыва. Произошло нарушение симметрии относительно барионов, а именно произошло их количественное превосходство над антибарионами.
Приблизительно через 10-3 с плотность и температура Вселенной все еще продолжали падать. Это привело к тому, что плотность нуклонов достигла вполне «земных» порядков величин. Сложившиеся условия оказались благоприятными для появления нейтрино, что привело к формированию независимого нейтринного газа и как следствие нарушению симметрии теплового равновесия. С этого момента Вселенная состояла из двух отдельных подсистем: нейтринного газа и остального газа из фотонов, лептонов и барионов.
Нарушение нейтрон-протонной и электрон-пози-тронной симметрии произошло через 1 с от начала Большого взрыва. Плотность электронов оказалась равна плотности протонов, Вселенная превратилась в нейтральную плазму, температура которой понизилась до 109 К, а плотность приблизилась к плотности внутри звезд. Приблизительно через 2 мин температура и плотность во Вселенной достигли таких же величин, как внутри звезд-гигантов. Начались процессы нуклеосинтеза. Образовались ядра гелия, изотопов водорода.
По прошествии от 100 тыс. до 1 млн лет, в ходе продолжавшегося расширения Вселенной, температура упала примерно до 2000-4000 К, произошло образование атомов водорода и гелия, а также молекул водорода. В этот же период, примерно спустя 300 тыс. лет после Большого взрыва, произошло так называемое «великое разделение» вещества и излучения.
На протяжении 100 млн - 1 млрд лет Вселенная находилась в состоянии относительно однородного разреженного нейтрального газа и все еще расширялась. Под действием гравитационных неустойчивостей происходило образование упорядоченных структур. Формирование крупномасштабной структуры Вселенной (галактик, скоплений галактик, войдов - пустот с размерами в десятки мегапарсек (Мпк)) возникает из-за малых возмущений плотности вещества очень ранней Вселенной. Под веществом в эту эволюционную эпоху подразумевается высокотемпературная плазма, состоящая из электронов, протонов, небольшой примеси нейтронов и некой скрытой массы. О существовании скрытой массы или темной материи стало известно в 1937 г. благодаря исследованиям Ф. Цвик-ки. Возмущения плотности высокотемпературной плазмы были, скорее всего, вызваны квантовыми флуктуациями физических полей в очень ранней Вселенной и получили дальнейшее развитие в эпоху экспоненциального расширения. При достижении плотности флуктуации определенного значения возмущения перестают принимать участие в космологическом расширении и могут образовывать гравитационно-связанные системы. Расширение таких областей сначала замедляется, а затем вовсе сменяется сжатием. «Существенно, - пишет А. В. Засов, - что нелинейная стадия роста возмущений приводит к преимущественному сжатию вдоль одного из направлений с образованием уплощенных структур (т. н. «блины» Зельдовича)» [7, с. 452]. Образовавшийся «блин» продолжает эволюцию. В нем начинают происходит мелкомасштабные процессы «скучива-нья», при которых вещество «блина» разбивается на гигант-
ские облака, из которых формируются галактики. Пересечение «блинов» приводит к формированию ячеистой структуры Вселенной. Реальные наблюдения показывают, что скопления галактик образуют поверхности толщиной порядка 10-20 Мпк, между которыми находятся пустые области размером 100-200 Мпк. Однако теоретические расчеты, основанные на флуктуациях температуры реликтового излучения, показывают, что флуктуации плотности на начальном этапе формирования Вселенной были недостаточными для развития гравитационной неустойчивости и образования структур. Этот факт А. В. Засов считает «независимым веским аргументом в пользу существования невидимой (темной. - О. Щ.) материи, взаимодействующей с обычным веществом только посредством гравитации» [7, с. 452]. Вероятнее всего именно флуктуации плотности темной материи послужили источником гравитационной неустойчивости, приведя к образованию галактик и скоплений галактик.
Каждая галактика начинает свое формирование в виде облака газа, только что выделившегося из газового протоскопления и начавшего сжиматься под действием собственной гравитации. К обособлению протогалактик, вероятно, проводят гидродинамические и тепловые процессы в газовом протоскоплении. Затем сжатие сменяется свободным падением с быстрым охлаждением. Продолжается это до тех пор, пока протогалактика не достигает типичной галактической плотности. Дальнейшая фрагментация протогалактики на более мелкие массы под действием гравитационной неустойчивости возможна при наличии какого-либо рода уплотнений. Распад вещества протогалактики на малые фрагменты различной массы, которые уже не сталкиваются между собой, а взаимодействуют по средствам взаимного притяжения, приводит к прекращению общего сжатия и переходу системы как целого к стационарному состоянию.
Причиной звездообразования служит гравитационная или тепловая неустойчивость, возникающая в плотном межзвездном облаке, приводящая к его гидродинамическому сжатию и фрагментации на мелкомасштабные образования, сравнительно плотные, оптически непрозрачные ядра, окруженные плотной газопылевой оболочкой. По этой причине звезды всегда рождаются группами (в кратных системах, скоплениях, ассоциациях).
Появление звезды в свою очередь приводит к новым гравитационным возмущениям окружающего ее газопылевого облака, ведущим к образованию протопланетных, а затем и планетных систем. Так, планеты Солнечной системы возникли из вращавшегося вокруг Солнца газопылевого протопланетного диска. Следствиями этого являются: обращение планет в одну сторону, эллиптическая (близкая к окружности) форма орбит планет и многих астероидов, а также тот факт, что орбиты тел Солнечной системы лежат практически в одной плоскости. Но есть и некоторые особенности, указывающие на компонент случайности при формировании планет Солнечной системы. Так, например, орбиты Плутона (который по решению Международного астрономического союза в августе
2006 г. лишился статуса «планеты») и Меркурия обладают как наибольшим наклоном к эклиптике (17о и 7о соответственно), так и наибольшей вытянутостью орбиты. Из восьми планет Солнечной системы две, Венера и Уран, вращаются в направлении, противоположном орбитальному движению, причем Уран почти на боку (последняя особенность также характерна и для Плутона). Одной из важных закономерностей является деление планет Солнечной системы по размерам, массе и общему строению на планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун). Своеобразной границей между двумя этими группами служит главный пояс астероидов. Планеты земной группы значительно уступают гигантам по массе и размерам. Они обладают большей средней плотностью вещества, сравнительно медленным вращением и малым числом спутников в отличие от газовых гигантов, «украшенных» системами тонких колец. Столь значительные различия в физических и химических характеристиках планетных групп вероятнее всего было вызвано неравномерностью нагревания протопланетного диска Солнцем на начальном этапе формирования Солнечной системы (4,5-5 млрд лет назад) сразу за формированием Солнца.
«Согласно общепринятой теории образования планет Солнечной системы, основы которой были заложены О. Ю. Шмидтом, В. С. Сафроновым, П. Гольдрайхом и др., формирование планет происходит в газопылевых дисках и проходит через несколько стадий, отличающихся разным характером взаимодействия частиц» [7, с. 240]. Для первого этапа образования планет характерно оседание пылевых частиц в толстом слое протопланетного диска, их столкновения и слипания, с образованием макроскопических объектов размером 0,01-10 м. Эти объекты вращаются по близким орбитам вокруг центральной звезды. Их дальнейшие столкновения приводят к образованию небольших тел (планетезималей) размером порядка нескольких километров, гравитационное взаимодействие между которыми приводит к группированию их орбит вблизи дискретных значений. Все это занимает около 104105 лет и относится ко второй стадии. Третья стадия заключается в частичном разрушении планетезималей из-за продолжающихся столкновений, что в тоже время приводит к росту наиболее крупных из них, то есть появлению зародышей планет внутри газопылевого диска. Дальнейшая эволюция, связанная со столкновениями планетезималей, их фрагментации и аккреции, приводит к дальнейшему росту протопланет, их постепенному превращению в планеты.
Планетезимали, не успевшие «слипнуться» в большие тела, а также фрагменты столкновений протопланет, наблюдаются в Солнечной системе в виде метеороидов, астероидов и комет. В отличие от метеороидов, имеющих случайные орбиты, астероиды и кометы имеют более или менее определенное расположение. Астероиды формируют главный пояс, расположенный между орбитами Марса и Юпитера, ширина которого порядка 100300 млн км. Кометы образуют два семейства. Первое се-
мейство, получившее название пояс Койпера, простирается от орбиты Нептуна, последней восьмой планеты Солнечной системы, находящейся на расстоянии порядка 50 а. е. до 100-1000 а. е. Вероятнее всего, пояс Койпера представляет собой «остатки» протопланетного диска. Второе семейство представляет собой кометы, расположенные за пределами Солнечной системы и образующие облако Оорта. Предположительно облако Оорта образовалось на ранних стадиях формирования Солнечной системы планетезималями, выброшенными под действием гравитационных столкновений с большими планетами с ее периферии. В настоящее время в пользу теории гравитационных столкновений с последующим формированием планет служат многочисленные кратеры на поверхности планет земной группы, а также продолжающиеся «атаки» на планеты-гиганты.
На примере всего вышесказанного хорошо видно, насколько актуально и гармонично астросинергетика вписывается в теорию современного космического эволюционизма. Но не только рождение почти всех космических объектов имеет астросинергетическую составляющую, но и их последующая жизнедеятельность также оказывается неотделима от процессов самоорганизации. В своей книге «Самоорганизующиеся системы во Вселенной» И. К. Розгачева отмечает некоторые процессы самоорганизации, присущие космическим объектам в современную эпоху. К ним она относит солнечную активность, магнитное поле Солнца, кольца планет, цефеиды, пульсары, узор галактик, многообразие галактических структур.
Исходя из изложенного, мы убеждаемся, что онтологической основой астросинергетики является космологический эволюционизм. Астросинергетическая интерпретация космологического эволюционизма естественнонаучно иллюстрирует философскую мысль о связи принципа единства мира с принципом развития мира. Единство мира на ранних этапах развития Вселенной, а также последующее развитие и возникновение множества многообразных упорядоченных структур являются двумя неотъемлемыми сторонами самоорганизации.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антология мировой философии: в 4 т. М.: Мысль, 1969. Т. I, Ч. 1. 576 с.
2. Рожанский И. Д. Античная наука. М.: Наука, 1980. 199 с.
3. Антология мировой философии: в 4 т. М.: Мысль, 1969. Т. III. 760 с.
4. Паннекук А. История астрономии. М.: Наука, 1966. 592 с.
5. Хокинг С. Мир в ореховой скорлупке. СПб.: Амфора, 2009. 218 с.
6. Эбелинг В., Энгель А., Файстель Р. Физика процессов эволюции. Синергетический подход. М.: Эдиториал УРСС, 2001. 328 с.
7. Засов А. В., Постнов К. А. Общая астрофизика. Фрязино, 2006. 496 с.
